大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术

技术领域

本发明属于煤层开采技术领域，涉及大倾角煤层长壁大采高工作 面煤壁片帮及冒顶控制技术。

背景技术

大倾角煤层是指埋藏倾角为35°-55°的煤层，在我国各大矿区均 有赋存。研究与实践表明，大倾角煤层实现机械化开采以来，煤层厚 度达到3.5m以上的大倾角煤层均采用长壁综放开采，开采效率低、 工艺复杂等问题一直未能得到完善地解决。新疆焦煤集团下属矿区大 部赋存有大倾角煤层，自建矿以来，一直从事大倾角煤层机械化开采 实践与攻关，现2130矿井工作面5#煤层为主焦煤，是我国稀缺煤种， 煤层厚度3.58-9.77m，平均厚度5.77m，属特厚煤层，现在若采用原 走向长壁综放开采，势必导致顶煤回收率低、该类稀缺资源浪费严重 等问题。众所周知，一般倾角条件下，煤壁片帮是大采高工作面开采 的技术难题，片帮增加了冒顶的概率，严重威胁安全和影响生产。而 大倾角大采高开采条件更为复杂，煤壁片帮影响因素众多，安全开采 难度更大，结合现场试验工作面实际，研究多因素条件下大倾角煤层 大采高工作面煤壁片帮机理，优化开采技术参数，可为防止工作面煤 壁片帮防治提供理论与技术支持，进而实现大倾角大采高工作面安全 生产。

大倾角煤层长壁大采高开采过程中，工作面煤壁片帮具有如下特 点：(1)频次高：片帮现象频繁，几乎每班开采均有不同程度的片帮 发生。(2)范围大：片帮范围大，一般可影响到工作面长度的1/3。 (3)分区域：片帮主要发生在工作面长度方向的中部区域，上部次 之，最后为下部区域。一般煤壁上部煤体首先发生片帮，易形成台阶 状煤壁。同时，除具有与一般倾角煤层片帮相同的特征，大倾角煤层 大采高工作面还具有如下新特征：

(1)蔓延性：片帮具有从工作面下方向工作面上方扩展的特征，即 小范围发生片帮后，会继续向倾斜上方煤体扩散。

(2)滑冒特征：即当小范围煤壁煤体冒落后，其冒落空间倾斜上方 的煤体具有煤壁外侧和下方冒落空间两个自由面，即有两个方向处于 无约束状态，此时，在该范围煤体在顶板压力、重力沿倾斜向下的分 力作用下发生小范围滑移、片冒，随后逐渐扩展，形成从该范围向上 部逐渐延伸的滑冒现象。

发明内容

本发明提供大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制 技术，解决了大倾角煤层开采过程中的片帮和冒顶的问题。

本发明采用的技术方案是煤层开采现场采取支架工作阻力控制 技术和煤壁超前预加固技术保证工作面煤壁稳定性；采取顶板耦合爆 破放顶技术解决坚硬顶板条件下工作面开采；采取小仰伪斜角度工作 面布置方法保证伪斜角处于控制范围内，采取全时动态工作面矿压监 测技术掌握工作面顶板来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可 能性进行预报。

本发明的技术特点还在于：支架工作阻力控制技术为：提高支架 的实际初撑力和工作阻力，提高泵站的供液压力，采用初撑力保持阀 提高初撑力，使初撑力达到支架工作阻力的80％，即5200kN；及时 带压移架，使支架顶梁顶住煤壁；在机组割煤移架后，立即打开护帮 板护帮，在机组割煤前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工 作面煤壁始终在扩帮板支撑下；改造支架柔性顶梁结构，将柔性顶梁 与固定顶梁刚性固定在一起，减小顶梁对煤壁的控制距离，防止柔性 顶梁低头现象发生；利用推溜杆侧调作用，保证支架对溜子下滑的控 制，以减小俯伪斜角度。顶板耦合爆破放顶技术包括巷道走向切顶和 工作面倾向切顶方案：

(1)两巷走向切顶方案：

回采巷道切顶孔布置：在回风巷和运输巷距煤壁50-100m范围内 布置超前单排孔切顶，其中，回风巷垂直于顶板布置，运输巷炮孔采 用与竖直方向夹角20°布置，钻孔间距300mm，钻孔直径≥38mm， 钻孔长度10-15m，爆破孔装药采用间隔装药；

(2)工作面倾向切顶方案：

在工作面前方每隔100m的位置，分别在回风巷和运输巷向顶板 掘进水平巷道，并在水平巷道向工作面方向顶板布置一排平行顶板的 切断孔，孔深45m，孔间距300mm，钻孔直径≥45mm，采用间隔装 药。煤壁超前预加固技术包括采面走向孔加固方案和采面倾向钻孔加 固方案：

(1)采面走向孔加固方案：

用电煤钻在采煤面煤壁布孔双排错位注浆孔，孔深8-10m，孔径 42mm，孔间距3.5m，注浆压力2.4MPa；走向孔加固工艺：停产及 安全防护，煤壁打孔，注浆孔全长PVC插管，封孔，带压注浆≥8 小时保压凝固，安检及复产，每走向推进6m进行1次加固；

(2)采面倾向钻孔加固方案：

在采煤面的机、风巷用钻机沿煤层倾向布置单排注浆孔和利用的 现有瓦斯抽采钻孔，超前煤壁3-8m采用单孔注浆带压加固方式，要 求上、下钻孔均距煤层顶板2-1.5m、孔间距4.0m，孔的长度覆盖工 作煤壁易垮落的片帮区，孔口封孔长度大于8m，钻孔孔径≥75mm， 钻孔下PVC管的深度为：仰孔不小于孔深50％、俯孔不小于孔深80％， 封孔压力≥4.0MPa；倾向钻孔加固工艺：安全防护，煤层倾向打孔或 利用已有的瓦斯抽放孔，注浆孔PVC插管，封孔，带压注浆≥8小 时保压凝固，工作面倾向单孔加固最小安全煤柱≥3m。小仰伪斜角 度工作面布置方法为降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜 角度小于3°。全时动态工作面矿压监测技术为布置智能矿压监测仪， 对工作面矿压进行了全方位连续动态监测，对工作面周期来压进行实 时跟踪观测统计，包括来压步距、来压强度、持续周期等参数，掌握 来压规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。

本发明的有益之处在于有效改善了大倾角煤矿的片帮和冒顶发 生次数。

附图说明

图1是本发明大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控 制技术两巷切顶示意图；

图2是本发明工作面切顶方案示意图；

图3是本发明采空区老顶压裂试验方案示意图；

图4是本发明采面走向孔加固试验方案示意图；

图5是本发明采面倾向钻孔加固试验方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮及冒顶控制技术通过对 大倾角煤层大采高工作面煤壁片帮、冒顶进行深入分析，现场需采取 以下主要技术措施：支架工作阻力控制技术措施，科学合理的支架工 作阻力和和严格的支架操控技术是保证工作面煤壁稳定性的关键：

(1)提高支架的实际初撑力和工作阻力，尽可能提高泵站的供液压 力，采用初撑力保持阀提高实际初撑力。一般情况下，初撑力应达到 支架工作阻力的80％，即5200kN。

(2)及时带压移架，使支架顶梁顶住煤壁，及时调整工作面的支架 下滑导致的歪倒、陷底、挤架等现象。

(3)加强支架受损部件排查，及时更换损坏立柱、不合格管路和密 封胶圈、失效安全阀等，保证支架在正常阻力状态下运行。

(4)提高护帮板的使用率，在机组割煤移架后，立即打开护帮板护 帮，在机组割煤前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工作面 煤壁始终在扩帮板支撑下。

(5)改造支架柔性顶梁结构，将柔性顶梁与固定顶梁刚性固定在一 起，减小顶梁对煤壁的控制距离，防止柔性顶梁低头现象发生。

(6)充分利用推溜杆侧调作用，保证支架对溜子下滑的控制，以减 小俯伪斜角度。

(7)加强工人支架操作的培训与管理，严格执行支架每个操控细节， 严禁违反操作工序操控支架(如：护帮板插入煤壁等)，保证每个工 序高质量完成。

顶板耦合爆破放顶技术优化：

顶板预爆破弱化是解决坚硬顶板条件下工作面开采的关键技术 问题，因地制宜地对炮孔布置参数进行动态优化才可保证良好的放顶 效果，也可有效地防止工作面部分区域阻力过高导致的煤壁片帮。 及时准确的观测工作面顶板分层、厚度变化、裂隙分布、倾角变化情 况，有针对性的调整回风巷、运输巷循环放顶炮孔的布置角度、装药 量及装药分段数等参数，保证不同炮孔之间耦合效果达到最优。同时， 根据现场实际情况，在原有放顶方案基础上，增加巷道走向切顶和工 作面倾向切顶方案：

(1)两巷走向切顶方案

回采巷道切顶孔布置：针对工作面顶板弱化效果不好，增加切顶 方法对顶板进行弱化，即在回风巷和运输巷距煤壁50-100m范围内布 置超前单排孔切顶，其中：回风巷垂直于顶板布置，运输巷炮孔采用 与竖直方向夹角20°布置，钻孔间距300mm，钻孔直径≥38mm，钻 孔长度10-15m，爆破孔装药采用间隔装药，如图1所示。

(2)工作面倾向切顶方案

在工作面前方每隔100m的位置，分别在回风巷和运输巷向顶板 掘进水平巷道，并在水平巷道向工作面方向顶板布置一排平行顶板的 切断孔，孔深45m左右，孔间距300mm，钻孔直径≥45mm，采用间 隔装药，如图2所示。

(3)采空区老顶压裂试验方案

为了检验采空区上方老顶破坏与否，在回风巷距煤壁10-15m顶 板处，向采空区布置一个俯孔，长度40m，保证封孔长度超过支架后 方，封孔长度≥20m，钻孔直径≥75mm，如图3所示。

煤壁超前预加固技术：

煤体节理裂隙发育，因而对煤壁进行加固是保证煤壁稳定性的有 效手段，采用廉价、实用的加固方法和材料，在工作面上、下端头超 前钻孔或充分利用报废的瓦斯抽放孔对煤壁进行超前加固，既不影响 工作面正常推进，又起到了控制煤壁的作用。当工作面遇到断层等异 常带或煤体很破碎时，可采用注浆加固的方法直接对煤壁加固，以提 高煤壁的强度，防止片帮、冒顶。

(1)采面走向孔加固试验方案：

用电煤钻在采煤面煤壁布孔双排错位注浆孔，孔深8-10m，孔径 Φ42mm，孔间距3.5m(可根据实际情况调节)，注浆压力2.4MPa， 布孔方式如图4所示。走向加固工艺：停产及安全防护——煤壁打孔 ——注浆孔全长PVC插管——封孔——带压注浆——≥8小时保压 凝固——安检及复产，每走向推进6m进行1次加固，安全防护措施 由矿另定。

(2)采面倾向钻孔加固试验方案：

在采煤面的机、风巷用钻机沿煤层倾向布置单排注浆孔和利用的 现有瓦斯抽采钻孔，超前煤壁3-8m采用单孔注浆带压加固方式，要 求上、下钻孔均距煤层顶板2-1.5m、孔间距4.0m，孔的长度覆盖工 作煤壁易垮落的片帮区，孔口封孔长度大于8m，钻孔孔径Φ≥75mm， 钻孔下PVC管的深度为：仰孔不小于孔深50％、俯孔不小于孔深80％， 封孔压力≥4.0MPa，布孔方式如图5所示；倾向加固工艺：安全防护 ——煤层倾向打孔(或利用已有的瓦斯抽放孔)——注浆孔PVC插 管——封孔——带压注浆——≥8小时保压凝固——安检，工作面倾 向单孔加固最小安全煤柱≥3m，安全防护措施由矿另定。

小仰伪斜角度工作面布置：

(1)降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜角度小于3°， 降低采面仰伪斜布置导致煤壁片帮的可能性。

(2)布置专人对工作面伪斜角度进行实时跟踪观测，保证伪斜角处 于控制范围内。

全时动态工作面矿压监测技术：

(1)及时布置智能矿压监测仪，对工作面矿压进行了全方位连续动 态监测，结合理论计算，预测预报工作面顶板来压时间，并在工作面 来压期间采取有效措施减少片帮程度，如加强支架支撑力、确保支架 稳定性及加强管理等。

(2)指定专人对工作面周期来压进行实时跟踪观测统计，包括来压 步距、来压强度、持续周期等参数，以便掌握来压规律，保证准确地 对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。

其他控制措施：

除以上列举的措施可以防止片帮发生，在保证安全的前提下，也 可采用适当提高工作面推进速度(大于3m/d)、适时降低工作面采高 (3.5m左右)来降低片帮冒顶的概率。

实施效果：

2013年6月至2013年11月，根据本发明大倾角煤层大采高综采煤 壁片帮控制技术，进行了片帮治理现场试验，效果表明：

(1)有效地解决了大倾角大采高工作面安全开采的核心技术，工作 面中上部区域煤壁片帮明显改善，频次明显减小，每班最多2-3次片 帮，未发生较大片帮，保证了工作面正常推进；

(2)由片帮引起的瓦斯超限是煤壁片帮的衍生灾害之一，综合控制 技术实施后，有效地控制了因煤壁片帮导致的瓦斯超限，减少了工作 面瓦斯超限次数；

(3)煤壁片帮联合控制措施同时降低了煤壁片帮冒顶后的修复成本， 改善了工人作业环境，也保证了工作面的安全。

(4)煤壁片帮联合控制技术有效地保证了工作面支架和及其他装备 良好的运行情况，降低了工作面伪仰斜角度，改善了顶板预爆破弱化 效果，完备了工作面矿山压力监测手段，使工作面处于良性循环状态。